前言

六氟化硫（SF₆）是一種優良的絕緣和滅弧介質，在電力行業中得到了廣泛的應用。隨著使用量的不斷增加，每年排放到大氣的SF₆正以前所未有的速度快速增加。根據全球大氣實驗計劃對溫室氣體含量的監測顯示，從1973年到2018年的45年間，大氣中的SF₆含量增加了一個數量級。目前，全球每年排放的SF₆總量相當于2.2億噸二氧化碳（CO₂）氣體，且還在以每年10%的速率繼續增長。SF₆是目前已知最強的溫室氣體之一，其以100年為基準的全球變暖潛能值（Global War-ming Potential，GWP）約為CO₂的23500倍，并且由于SF₆的化學性質極為穩定，在大氣中的存在時間可長達3200年之久，一旦泄漏，基本不會自然分解，對全球氣候變暖的影響具有累積效應。由于溫室效應引起的全球氣候變暖會給人類的生存環境帶來嚴重的威脅，并可能引起災難性的后果，因此溫室效應已成為國際關注的三大環境問題（臭氧層破壞、全球氣候變暖和生物物種急劇減少）之一。

為此，國際社會開展了廣泛的全球性合作和努力，以期控制大氣中的溫室氣體含量，共同維持人類社會的可持續發展。在1997年日本京都召開的《聯合國氣候變化框架公約》（United Nations Framework Convention on Climate Change，UNFCCC）第3次締約方會議上，84個國家相繼簽署了《京都議定書》（Kyoto Protocol）以共同應對全球氣候變暖。在該議定書中，明確將二氧化碳（CO₂）、甲烷（CH₄）、氧化亞氮（N₂O）、全氟化碳（PFC）、氫氟碳化物（HFC）和SF₆列為限制排放的6種溫室氣體。我國作為《京都議定書》的主要締約國之一，正在積極地推進和執行溫室氣體減排任務。2017年，我國政府在《巴黎協定》中承諾，到2030年，單位國內生產總值CO₂排放比2005年下降60%～65%。由于SF₆對溫室效應的潛在影響較大，因此嚴格限制SF₆氣體排放、減少SF₆氣體使用對于我國達成減排目標意義重大。正因如此，探索可等效替代SF₆的新型環保絕緣氣體成為電氣工程領域重要的研究方向和迫切需要解決的熱點問題。

近年來，在國內外相關高校、研究機構和企業的共同努力探索和實踐下，SF₆替代技術的研究及應用取得一系列重要進展，尤其是基于七氟異丁腈（C₄F₇N）、全氟戊酮（C₅F₁₀O）等綠色含氟絕緣氣體的高壓電氣設備相繼開發成功，并初步實現了工程示范應用，取得了良好的社會、經濟效益。云南電科院專門成立了高原環保電力設備團隊，組織西安交通大學、上海交通大學、西北工業大學、中國西電集團、浙江省化工研究院等國內相關單位，從氣體制備、絕緣與電弧特性、產品研發等幾個方面，開展了廣泛、深入的研究工作。本書是作者及所在的科研團隊10余年來在SF₆替代氣體領域研究工作的系統總結。通過廣泛的國際交流與產學研合作，結合理論計算和實驗研究，并在工程實踐中不斷豐富和總結，形成了具有一定特色的技術體系。

本書重點介紹了C₄F₇N、C₅F₁₀O等新型環保氣體的物性參數、理化特性、絕緣及電弧特性等內容，以期為相關領域的基礎研究及設備開發提供有益參考，體系結構及主要內容如下：

第一章主要介紹了SF₆氣體的基礎性質及應用概況，分析了SF₆在使用過程中存在的問題，指出對SF₆進行替代的必要性，并對當前潛在的幾種替代氣體方案（單一氣體、SF₆混合氣體、新型環保氣體）進行對比和分析。通過第一章的內容，讓讀者對SF₆替代的目的和意義有清晰的認識。

第二章主要介紹了C₄F₇N、C₅F₁₀O等新型環保氣體的分子結構、飽和蒸氣壓、GWP、臭氧消耗潛能值（The Ozone Depletion Potential，ODP）、毒性、碰撞截面等關鍵理化參數，以及與CO₂、空氣等混合氣體的電子漂移速率、電離反應系數、吸附反應系數、有效電離反應系數、臨界折合擊穿場強等放電參數，并與SF₆、空氣、CO₂等氣體進行了對比。

第三章主要介紹了C₄F₇N、C₅F₁₀O混合氣體在不同電極結構、混合比例和壓力下的絕緣擊穿特性、沿面閃絡特性以及在不同放電形式下的分解產物，為環保型氣體絕緣電力設備的開發及運維提供參考依據。

第四章詳細介紹了C₄F₇N、C₅F₁₀O與CO₂、空氣等混合氣體電弧等離子體的化學組成、熱動屬性和輸運參數等，分析了不同因素對新型環保氣體電弧特性的影響。通過對比C₄F₇N、C₅F₁₀O混合氣體與SF₆物性參數的異同，從微觀層面討論了新型環保氣體作為滅弧介質的可行性。最后，通過電弧磁流體動力學仿真和電弧開斷實驗，分別從電弧燃弧和零區階段的能量耗散性質討論了新型環保氣體的滅弧性能。本章內容有助于加深對不同氣體電弧特性及滅弧機理的理解，同時為C₄F₇N、C₅F₁₀O混合氣體作為滅弧介質的應用提供參考。

第五章結合電力設備對氣體絕緣介質的需求，重點介紹了新型環保混合氣體在電力設備中的應用技術及國內外相關環保電力設備的應用情況，同時針對環保電力設備運行中所需的運維技術及其研究進展進行了介紹。

本書第一、五章由鄧云坤、王科編寫，第二、四章由張博雅、李興文編寫，第三章由張博雅、趙虎編寫。全書由鄧云坤和李興文統稿和審定。參加本書編寫的還有彭晶、黃小龍、郭澤、趙現平、馬儀、周年榮和譚向宇等。

作者在編寫過程中閱讀了大量相關文獻，其中部分內容參考了相關文獻的寫法，由于都是成熟的內容，并未對所有參考文獻一一羅列，在此向相關文獻的作者表示誠摯的感謝！

本書的編寫工作是在多項云南省電力公司科技項目、國家自然科學基金項目等支持下完成的，特此表示感謝。

由于作者水平有限，書中難免有紕漏。不當之處，懇請讀者朋友批評指正。

作者

2021.1